Development of novel hipims processes for the deposition of dlc coatings with enhanced tribomechanical performance
- Autores: Jose Antonio Santiago Varela
- Directores de la Tesis: Miguel Alberto Monclús Palazón (codir. tes.), Raquel González Arrabal (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
La utilización de recubrimientos convencionales de diamond-like carbon (DLC) para la protección de las superficies de herramientas y componentes en aplicaciones industriales de alta exigencia se encuentra actualmente restringida debido a limitaciones de cargas térmicas y de trabajo. Existen nuevas aplicaciones tribológicas, con temperaturas de trabajo que exceden los 300ºC, que requieren de recubrimientos con una mayor estabilidad térmica, una excelente adhesión y más dureza. Esta tesis explora el desarrollo de nuevos procesos con la tecnología high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) para depositar recubrimientos de DLC con un comportamiento tribomecánico mejorado.
Inicialmente, un pretratamiento con iones metálicos de Ti o Cr ha sido optimizado mediante HiPIMS para mejorar la adhesión de recubrimientos de DLC sobre sustratos de acero rápido. El pretratmiento ha demostrado ser muy efectivo para eliminar contaminantes superficiales y generar una intercara gradual. La selección de iones de Cr sobre los de Ti aportó los mejores valores de adhesión debido a que se consiguió reducir el nivel de oxígeno en la intercara, asegurando de esta forma un óptimo contacto entre recubrimiento-sustrato y dotando a la estructura de un comportamiento más robusto que permitió prevenir en todo caso el fallo adhesivo.
Una de las principales aportaciones de la tesis fue el desarrollo de un método novedoso HiPIMS que incorpora pulsos positivos al final de la descarga convencional de HiPIMS. La aplicación de pulsos positivos permitió incrementar la energía de ionización tanto del carbono como del argón pulverizado. Las medidas de espectroscopía de masas mostraron que una mayor cantidad de iones de alta energía de carbono se generan, con energías proporcionales a la amplitud del pulso positivo. El bombardeo iónico producido por los pulsos positivos produjo recubrimientos de DLC más densos y duros.
Además, las propiedades mecánicas fueron optimizadas de acuerdo a la influencia de otros parámetros como el método de pulverización catódica, de la incorporación de hidrógeno, de la temperatura de depósito y del voltaje aplicado al sustrato. La síntesis de recubrimientos de DLC con técnicas de pulverización catódica por magnetrón pulsadas que incorporan pulsos positivos no solo resultó beneficiosa en el modo HiPIMS, sino que también lo fue en el modo DC-Pulsed. La grafitización de la estructura del carbono fue identificada como el principal factor que deteriora el recubrimiento durante la pulverización catódica. La caída en propiedades mecánicas debido a la grafitización se observó bajo un determinado rango de contenido en hidrógeno, temperatura de depósito o voltaje de sustrato. Las simulaciones numéricas de un proceso de nanoindentación también evidenciaron la importancia del contenido en sp3 para limitar la plasticidad del material y de esta forma, mantener una alta dureza y módulo elástico.
En la búsqueda por recubrimientos de DLC con un comportamiento mejorado en aplicaciones tribomecánicas de alta temperatura, mediante un proceso de codepósito con HiPIMS y DC-pulsed se sintetizaron recubrimientos de DLC dopados con metales (Cr, Ti y W). Se observó que la aplicación de HiPIMS a bajas frecuencia incrementó significativamente la densidad de energía en la descarga de plasma del Cr debido a la interacción entre especies de Cr con C. El mayor bombardeo a altas energías producido cuando se trabajaba a bajas frecuencias permitió la incorporación de Cr en la estructura de DLC evitando la grafitización de la matriz de carbono. Los ensayos de nanoindentación a alta temperatura mostraron que las propiedades mecánicas a alta temperatura dependen fundamentalmente de la estructura sp3-sp2 de partida del carbono. Los recubrimientos DLC dopado con Cr depositados a baja frecuencia de HiPIMS permitieron preservar la estructura sp3 del carbono y mostrar un comportamiento tribomecánico a alta temperatura mejorado con respecto a recubrimientos de DLC no dopados. Sin embargo, otros dopantes como el Ti o el W mostraron tendencia a desestabilizar la estructura sp3 hacia sp2. Dicha grafitización redujo la estabilidad térmica y la resistencia al desgaste de los recubrimientos.
Finalmente, es destacable que la novedosa tecnología de HiPIMS desarrollada en esta tesis se ha transferido a un sistema industrial, haciendo viable una nueva generación de recubrimientos de DLC para aplicaciones industriales de alta exigencia.
